KR101565691B1

KR101565691B1 - 고체 연료 버너

Info

Publication number: KR101565691B1
Application number: KR1020140043634A
Authority: KR
Inventors: 마크 다니엘 디아고스티니
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2015-11-03
Also published as: US20150192296A1; CA2848718C; CA2848718A1; BR102014008678A2; US9709269B2; CN104764005B; MX2014004260A; MX355444B; BR102014008678B1; CN104764005A; TWI516722B; TW201527696A; KR20150083001A

Abstract

본 발명은 고체 연료/산소 버너에 관한 것으로서, 고체 연료/산소 버너는, 상류 섹션, 중간 섹션, 및 하류 섹션을 포함하고; 고체 연료 도관은 중간 섹션 및 하류 섹션을 통해 연장하여 운반 가스 속의 고체 연료의 혼합물을 운반하며, 고체 연료 도관은 중간 섹션에서보다 하류 섹션에서 더 큰 단면적을 갖고, 관형 연료 분리기는 하류 섹션에서 고체 연료 도관 내에 배치되며, 연료 분리기는 입구 평면 및 출구 평면에 의해 경계를 이루고, 연료 분리기는 연료 도관을 단면적을 갖는 내부 노즐 및 단면적을 갖는 외부 환형 노즐로 분할하며, 내부 노즐 단면적에 대한 외부 노즐 단면적의 비율은 출구 평면에서 측정해서 1보다 더 크다.

Description

고체 연료 버너{SOLID FUEL BURNER}

관련 출원의 상호참조

본 출원은 2014년 1월 7일 출원된 미국 가출원 61/924,272호의 우선권을 주장하며, 그것의 전부가 여기에 참고로 포함된다.

기술분야

본 발명은 고체 연료를 산소로 연소시키는 버너(burner)에 관한 것이다.

부분적으로 그것의 가변적인 휘발분 함량으로 인해, 고체 연료는 유동 흐름에서 점화시키기에 매우 곤란한 연료일 수 있다. 그러므로, 전형적으로 고체 연료는 상당한 점화 지연을 겪어서 화염 전방(flame front)이 연료 노즐(fuel nozzle)로부터 사실상 분리되게 하기도 한다. 이것은 본질적으로 불안정한 상황으로서, 높은 수준의 미연소 탄소, 불안정한 공정 가열 조건(열전달, 용해 등) 및 잠재적으로, 화염의 분출을 초래할 수 있어서, 매우 급속하고 불안전한 연소 저하를 초래할 수 있다.

바람직하게는, 버너가 버너 팁에 부착된 고체 연료 화염 전방을 형성할 수 있게 해야 한다. 이것은 본질적으로 바람직한 조건으로서, 열전달, 탄소 소진 및 화염 안정성을 최대화한다.

기술되는 산소-고체 연료 버너(oxy-solid fuel burner)의 실시예는 상류 섹션(upstream section), 중간 섹션(intermediary section), 및 하류 섹션(downstream section)을 갖는다. 고체 연료 도관(solid fuel conduit)은 중간 섹션 및 하류 섹션을 통해 연장하여 운반 가스 속의 고체 연료의 혼합물을 운반하고, 고체 연료 도관은 중간 섹션에서보다 하류 섹션에서 더 큰 단면적을 갖는다. 관형 연료 분리기(tubular fuel separator)는 하류 섹션에서 고체 연료 도관 내에 배치되며, 연료 분리기는 입구 평면 및 출구 평면에 의해 경계를 이루고, 연료 분리기는 연료 도관을 단면적을 갖는 내부 노즐(inner nozzle) 및 단면적을 갖는 외부 환형 노즐(outer annular nozzle)로 분할하고, 내부 노즐 단면적에 대한 외부 노즐 단면적의 비율은 출구 평면에서 측정해서 1보다 더 크다.

다른 한 양태에서, 버너는 외부 노즐 내에 배치된 적어도 하나의 연료 웨지(fuel wedge)를 추가로 포함할 수 있을 것이며, 연료 웨지는 상류 정점부(upstream apex) 및 연료 분리기의 출구 평면과 정렬된 하류 기부(downstream base)을 갖는다. 바람직하게는, 2개 이상 6개 이하의 연료 웨지가 외부 노즐 내에 배치된다.

다른 한 양태에서, 환형 산소 도관(annular oxygen conduit)이 고체 연료 도관을 적어도 중간 섹션에서 둘러싼다.

다른 한 양태에서, 버너는 하류 섹션에서의 환형 고체 연료 도관으로부터 반경방향 외향으로 연장하는 적어도 하나의 산소 웨지(oxygen wedge)를 추가로 포함할 수 있을 것이며, 산소 웨지는 상류 정점부 및 연료 분리기의 출구 평면과 정렬된 하류 기부를 갖는다. 산소 웨지는 환형 고체 연료 도관을 둘러싸는 하나의 연속적 웨지(continuous wedge)일 수 있을 것이다.

다른 한 양태에서, 버너는 버너의 상류 섹션에 있는 주 연료 도관(main fuel conduit)을 추가로 포함하여, 고체 연료 및 주요 운반 가스(primary transport gas)를 버너의 중간 섹션에 있는 고체 연료 도관으로 유동시킬 수 있을 것이며, 중간 섹션과 하류 섹션은 동축(coaxial)이고 버너 축(burner axis)을 형성하며, 상류 섹션은 고체 연료 입구 축(solid fuel inlet axis)을 정의하는데, 그것은 버너 축으로부터 약 30° 내지 약 60°의 각도만큼 휘어져 있다. 변화예에서, 버너는, 고체 연료 입구 축을 따라 주 연료 도관 속으로 연장하고 주 연료 도관에 의해 둘러싸이는 관형 고체 연료 및 주요 운반 가스 도관(tubular solid fuel and primary transport gas conduit) - 관형 고체 연료 및 주요 운반 가스 도관은 고체 연료 및 주요 운반 가스를 버너에 제공하기 위한 입구(inlet)를 가짐 -; 및 보충적 운반 가스를 주 연료 도관에 제공하기 위한 보충적 운반 가스 입구(supplemental transport gas inlet)를 추가로 포함할 수 있을 것이다.

다른 한 양태에서, 내부 노즐 단면적에 대한 외부 노즐 단면적의 비율은 출구 평면에서 측정해서 약 1.5 내지 약 6이다.

다른 한 양태에서, 버너는, 버너 축에 관해 대칭적으로 배치되고 일정한 종방향 거리만큼 연료 분리기의 입구 평면의 상류에 배치된, 연료 이동 디스크(fuel trip disk)를 추가로 포함하며, 연료 이동 디스크는 반경방향 높이를 갖는다. 바람직하게는, 연료 이동 디스크와 연료 분리기의 입구 평면 사이의 종방향 거리가 연료 이동 디스크의 반경방향 높이의 약 2 내지 약 5 배이다. 연료 분리기에 의해 형성된 내부 환형 노즐은 입구 평면에서의 반경방향 높이를 가지며, 바람직하게는, 이동 디스크의 반경방향 높이가 내부 환형 노즐의 반경방향 높이의 약 0.25 내지 약 0.5 배이다. 한 변화예에서, 연료 분리기는 형태가 대체로 원통형이다. 다른 한 변화예에서, 연료 분리기는 형태가 대체로 수렴하는 절두된 원추형(truncated conical)이다. 또다른 한 변화예에서, 연료 분리기는 대체로 원통형인 상류 부분 및 대체로 수렴하는 절두된 원추형인 하류 부분을 포함한다.

버너를 이용하여 고체 연료 및 산소를 연소시키는 방법이 기술되며, 방법은 충분한 보충적 운반 가스(supplemental transport gas)를 제공하여 고체 연료 및 운반 가스의 혼합물의 산소 농도를 약 21 몰%보다 더 크고 약 50 몰%보다 더 작거나 또는 동등하게 증대시키는 단계를 포함한다. 연소 방법의 한 양태에서, 고체 연료 및 운반 가스의 혼합물의 산소 농도는 보충적 운반 가스에 의해 약 21 몰%보다 더 크고 약 35 몰%보다 더 작거나 또는 동등하게 상승된다.

버너를 이용하여 재생적 공기-연료 유리 용해로(regenerative air-fuel glass melting furnace) - 노(furnace)는 열기 포트(hot air port)를 가짐 - 를 작동시키는 방법이 제공되며, 방법은 버너 중 적어도 하나를 열기 포트 근방에 배치하는 단계를 포함한다. 방법은 반화학양론적(sub-stoichiometric) 산소로 버너를 작동시키는 단계를 추가로 포함할 수 있을 것이다. 작동 방법의 한 양태에서, 화학양론적 비율은 약 0.1 내지 약 0.5이다.

기술되는 재생로(regenerative furnace)는, 노의 측벽에 장착된 적어도 하나의 발화 포트(firing port)를 갖는 버너 블록(burner block), 및 적어도 하나의 발화 포트의 에지(edge) 근방에 배치된 하나 이상의 고체 연료/산소 버너(solid fuel/oxygen burner)를 포함한다. 버너는, 상류 섹션(upstream section), 중간 섹션(intermediary section), 및 하류 섹션(downstream section); 중간 섹션 및 하류 섹션을 통해 연장하여 운반 가스 속의 고체 연료의 혼합물을 운반하는 고체 연료 도관(solid fuel conduit) - 고체 연료 도관은 중간 섹션에서보다 하류 섹션에서 더 큰 단면적을 가짐 -; 및 하류 섹션에서 고체 연료 도관 내에 배치된 관형 연료 분리기(tubular fuel separator) - 연료 분리기는 입구 평면 및 출구 평면에 의해 경계를 이루고, 연료 분리기는 연료 도관을 단면적을 갖는 내부 노즐(inner nozzle) 및 단면적을 갖는 외부 환형 노즐(outer annular nozzle)로 분할하고, 내부 노즐 단면적에 대한 외부 노즐 단면적의 비율은 출구 평면에서 측정해서 1보다 더 큼 - 를 포함한다.

도 1은 산소-고체 연료 버너의 예시적 실시예의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 산소-고체 연료 버너의 실시예의 배면도이다.
도 3은 섹션 A-A를 따라 취한 도 2에서 도시된 버너 실시예의 횡단면도이다.
도 4는 관점 B-B에서 보이는 바와 같이 도 1에 도시된 버너 실시예의 전방 단부도이다.
도 5는 도 1 내지 도 4의 버너 실시예의 출구 단부의 확대 상세 횡단면도이다.
도 6은 도 1 내지 도 4의 버너의 출구 단부의 다른 한 실시예의 도면이다.
도 7은 예비 연소기 속에 삽입된 도 5의 버너 실시예의 출구 단부의 횡단면도이다.
도 8은 역청탄 및 석유 코크스에 대한 최소 점화 에너지 대 산소 농도의 구성도이다.
도 9는 재생적 유리 노 내에서 열기 포트의 아래에 배치된 본 명세서에 기술된 바와 같은 버너들 중 몇 개의 도면이다.
도 10은 재생적 유리 노 내에서 열기 포트의 측부 상에 배치된 본 명세서에 기술된 바와 같은 버너들 중 두 개의 도면이다.

여기에서의 설명의 목적을 위해, 다음의 정의가 제공된다. 운반 가스는 버너로 및 버너를 통해 고체 연료 입자를 이송하거나 또는 운반하기 위해 이용되는 기상 유체(gaseous fluid)이며, 공기, 산소 농화 공기, 질소, 이산화탄소, 재순환 연도 가스, 및 그것들의 조합을 포함할 수 있을 것이다. 보충적 운반 가스는 버너 내에서의 운반 가스의 유속을 증대시키기 위해 이용되는 기상 유체이며, 공기, 산소 농화 공기, 질소, 이산화탄소, 재순환 연도 가스, 및 그것들의 조합을 포함할 수 있을 것이다. 산소는 28 몰% O₂보다 더 크거나 또는 동등하며, 바람직하게는 60 몰% O₂보다 더 크거나 또는 동등하고, 더 바람직하게는 85 몰% O₂보다 더 크거나 또는 동등한 농도의 산소 분자를 함유하는 가스이다. 고체 연료는 고체 형태의 탄소 또는 탄화수소 연료이고, 석유 코크스(petroleum coke); 무연탄, 역청탄, 아역청탄, 및 갈탄을 포함하는 온갖 석탄; 토탄, 목재, 초목, 및 기타의 이른바 생물 물질; 도시 고형 폐기물; 및 그것들의 조합을 포함할 수 있을 것이다. 마지막으로, 여기에서 채택될 때, 용어 "뭉툭한(bluff)"은 주요 유동 방향에 직교하는 평면에서의 구조체의 치수가 주요 유동 방향을 따르는 구조체의 치수에 대해 규모에 있어서 필적할 수 있는 구조체를 의미한다.

산소/분쇄된 고체 연료 버너(10)의 한 실시예는 도 1 내지 도 6에 예시된다. 버너(10)는 상류 섹션(12), 중간 섹션(14), 및 하류 섹션(16)을 포함한다.

상류 섹션(12)은 관형 고체 연료 도관(20)을 포함하여 분쇄된 고체 연료 및 (주요) 운반 가스를 운반하게 한다. 고체 연료 도관은 입구(22)를 갖는다. 상류 섹션(12)은 고체 연료 도관(20)을 둘러싸는 주 연료 도관(main fuel conduit)(30)을 임의적으로 추가로 포함하여 고체 연료 도관(20)의 둘레에 환형 보충적 운반 가스 통로(34)를 형성한다. 주 연료 도관(30)은 보충적 운반 가스 입구(32)를 갖는다. 고체 연료 도관(20)은 플레넘(plenum) 또는 혼합 영역(26)에서의 주 연료 도관(30) 내의 하류 단부(24)까지 연장하며, 거기에서 고체 연료 및 주요 운반 가스가 중간 섹션(14) 속으로 흘러들어가기 전에 보충적 운반 가스와 혼합된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 버너(10)는 중간 섹션(14) 및 하류 섹션(16)의 축방향에 의해 정의되는 주축(18)을 가지며, 그것들은 동축적이다. 버너의 축방향은 버너(10)를 빠져나가는 유동 방향을 나타낸다. 주 연료 도관(30)은 고체 연료 입구 축(21)을 가지며, 그것은 주축(18)에 대해 각도 θ로 휘어진다. 휘어지는 각도 θ에 대한 바람직한 범위는 아래에서 설명된다. 각진 주 연료 도관(30)으로부터 중간 섹션(14) 속으로의 유동을 안내하기 위해, 고체 연료 및 운반 가스 혼합물이 엘보 섹션(elbow section)(28)을 통해 흐른다.

상류 섹션(12)은 중앙 연료 노즐 지지봉(central fuel nozzle support rod)(40)을 포함하기도 하며, 그것은 바람직하게는 버너 축(18)과 동축적이고, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같다. 연료 노즐 지지봉(40)은 허브(hub)로서 작용하여 버너의 다른 특징요소를 위한 구조적 지지를 제공하며, 아래에서 설명한 바와 같다.

중간 섹션(14)은 중앙 연료 노즐 지지봉(40)을 둘러싸는 외부 연료 도관(44)을 포함한다. 환형 통로(46)가 중앙 연료 노즐 지지봉(40)의 외면과 외부 연료 도관(44)의 내면 사이에 형성된다. 환형 통로(46)는 엘보 섹션(28)에 대해 유동상 연결되어, 고체 연료 및 운반 가스 혼합물이 환형 통로(46)를 통해 유동하도록 안내되게 한다. 테이퍼 섹션(tapered section)(13)이 제공되어 유동을 엘보 섹션(28)으로부터 환형 통로(46)로 천이시킬 수 있을 것이다.

산소 도관(50)이 중간 섹션(14)에서 외부 연료 도관(44)을 둘러싸서 외부 연료 도관(44)의 외면 및 산소 도관(50)의 내면에 의해 경계를 이루는 환형 산소 통로(54)를 형성한다. 산소 도관(50)은 산소 입구(52)를 가지며, 하류 단부(56)까지 연장한다.

중간 섹션(14)은 하류 섹션(16)에 대해 직접적으로든 또는 천이 섹션(15)을 통해서든 연결한다. 중앙 연료 노즐 지지봉(40)은 중간 섹션(14)을 통하고 하류 섹션(16) 속으로 및 그것의 적어도 일부를 통해서 연속적으로 연장한다. 외부 연료 도관(44)은 더 얇은 벽을 가진 외부 연료 도관(45)으로 천이해서, 하류 섹션(16)에서의 환형 유로(47)를 생성하며, 그것은 중간 섹션(14)에서의 환형 통로(46)보다 더 큰 단면적을 갖는다. 하류 섹션(16)의 확대도가 도 5에 도시되어 있고, 하류 섹션(16)의 하류 단부도가 도 4에 도시되어 있다.

하류 섹션(16)은 연료 이동 디스크(68) 또는 유사하게 구성된 장애물을 포함할 수 있을 것이며, 연료 노즐 지지봉(40)으로부터 반경방향 외향으로 연장한다. 연료 이동 디스크(68)는 연료 노즐 지지봉(40)의 외면으로부터 측정된 반경방향 높이 H1을 갖는다.

하류 섹션(16)은 입구 평면(62)과 출구 평면(64) 사이에 걸쳐 있는 연료 분리기(60)를 포함하며, 그것은 또한 도 5에서의 버너(10)의 출구 평면(94)이다. 그러나, 연료 분리기(60)의 출구 평면(64)과 버너(18)의 출구 평면(94)이 반드시 일치해야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 도 6에 도시된 실시예에서, 연료 분리기(60)의 출구 평면(64)은 버너(18)의 출구 평면(94)의 상류에 위치하고 있다. 연료 분리기(60)는 연료 노즐 지지봉(40)을 둘러싸서 배치되고 외부 연료 도관(45)에 의해 둘러싸인 관형 요소(66)를 포함한다. 관형 요소(66)는 대체로 원통형 상류 부분(74)을 포함하고 수렴하는 대체로 절두된 원추형 하류 부분(76)이 이어질 수 있거나, 또는 전체 관형 요소(66)는 대체로 원통형 형태든 또는 수렴하는 대체로 절두된 원추형 형태든 가질 수 있을 것이다. 내부 환형 노즐(72)이 연료 노즐 지지봉(40)과 관형 요소(66) 사이에 형성되고, 외부 환형 노즐(70)이 관형 요소와 외부 연료 도관(45) 사이에 형성된다.

연료 분리기(60)의 입구 평면(62)은 연료 이동 디스크(68)의 하류 면(downstream face)(69)으로부터 하류쪽으로 거리 L1에 배치된다. 입구 평면(62)에서의 내부 노즐(72)의 개구는 연료 노즐 지지봉의 외면으로부터 관형 요소(66)의 내면까지 측정된 높이 H2를 갖는다.

안내 날개(guide vane)(92)가 관형 요소(66)와 연료 노즐 지지봉(40) 사이의 내부 노즐(72) 속에 배치된다. 2개 이상의 안내 날개(92)가 이용될 수 있을 것이며, 묘사된 실시예에서는 4개의 안내 날개(92)가 이용된다. 안내 날개(92)는 축방향으로 배향될 수 있거나 또는 그것들은 축방향 유동 방향에 대해 일정한 각도로 배향되어 소용돌이를 촉진할 수 있을 것이다.

웨지(78)가 관형 요소(66)와 외부 연료 도관(45) 사이의 외부 노즐(70) 속에 배치되며, 방출 통로(71)가 각각의 인접한 쌍의 웨지(78) 사이에 형성된다. 웨지(78)는 선두의 정점부(80)와 후미의 기부(82) 및 주변을 둘러싸는 분무각 약 10° 내지 약 60°를 갖는다. 2개 이상의 웨지(78) 및 6개 이하의 웨지(78)가 이용되고, 묘사된 실시예에서 4개의 웨지(78)가 이용되고, 방출 통로(71)의 수는 웨지(78)의 수와 동등하다.

도 7에 도시된 바와 같이, 버너(10)가 예비 연소기(90) 속에 설치될 때, 연장하는 산소 도관(50)의 하류 단부(56)의 뒤에, 환형 산소 도관이 외부 연료 도관(45)의 외면과 예비 연소기(90)의 내면 사이에 형성된다. 복수의 웨지(84), 또는 한 환형 웨지(84)가 연료 분리기(60)의 출구 평면(64)에서 외부 연료 도관(45)의 외면 상에 배치될 수 있을 것이며, 웨지(84)는 상류 정점부(86)와 하류 기부(88), 및 분무각 약 5° 내지 약 30°를 갖는다. 웨지(84)는 외부 연료 도관(45)의 전부 또는 단지 일부 또는 부분들을 둘러쌀 수 있을 것이다.

작동에서, 고체 연료 및 운반 가스는 명목상으로 15 m/sec보다 더 크거나 또는 동등한 속도로 고체 연료 도관(20)을 통해 버너(10)에 들어간다. 보충적 운반 가스를 활용하는 버너 실시예에서, 고체 연료 도관(20)은 보충적 운반 가스에 의해 둘러싸인 플레넘(26) 속으로 연장한다. 보충적 운반 가스가 채택되어 버너(10)를 통한 연료 운반 속도를 증대시킬 수 있으며, (주요) 운반 가스 유속을 동등한 크기만큼 증대시킴으로써 초래될 것인 것보다 훨씬 더 낮은 압력 강하를 갖는다.

보충적 운반 가스는 산소를 도입하도록 이용되어 운반 가스 흐름의 산화제 함량을 증대시킬 수도 있다. 이것은 고체 연료의 점화 특성을 개선하는 편리한 방식일 수 있다. 도 8은, 예를 들어, 역청탄 및 석유 코크스를 위한 고체 연료 점화 에너지 대 산화제 농도를 도시하며, 그것의 적절한 특성이 표 1에 제시된다.

연료	역청탄	석유 코크스
휘발분	38.78 중량%	9.85 중량%
고정 탄소	51.96 중량%	89.46 중량%
수분	1.01 중량%	0.33 중량%
재(ash)	8.25 중량%	0.36 중량%
고위 발열량	13,777 Btu/lb	15,456 Btu/lb
입도 분포	100% < 75 미크론	100% < 75 미크론

주목할 것은, 21 몰% 산소 농도의 경우에, 석유 코크스 (또는 펫 코크스(pet coke))의 최소 점화 에너지는 역청탄에서보다 두 자릿수 더 크다는 것이며, 그것은 유동 흐름 속에서 공기/펫 코크스 혼합물을 점화시킬 때 발생하기 쉬운 상당한 점화 지연을 직설적으로 시사하는 것이고, 원칙적으로 펫 코크스의 매우 낮은 휘발분 함량으로 인한 것이다. 또한, 데이터가 나타내는 것은, 운반 가스 산소 농도를 증대시키는 것이 공기의 양에 비해 작은 양일지라도, 최소 점화 에너지를 사실상 저감하며, 그럼으로써 펫 코크스 흐름이 점화시키기에 덜 곤란하고 안정적으로 연소하게 한다는 것이다. 사실상, 도 8의 데이터가 나타내는 것은, 펫 코크스/운반 가스 흐름에 대해, 운반 가스 속의 보충적 산소에 의해, 명목상으로 52 몰%보다 더 작거나 또는 동등한 합성 산소 농도를 산출하는 양으로 산소를 첨가하는 것은 공기와 역청탄을 합한 것보다 더 크거나 또는 동등한 최소 점화 에너지를 갖는 가스와 펫 코크스 혼합물을 발생시킨다는 것이다. 안전상의 이유로, 바람직한 것은, 공기/역청탄 흐름보다 더 낮은 최소 점화 에너지를 산출하는 수준까지 운반 가스 흐름에서 산소를 농화하지 않는 것이다. 그래서, 예를 들어, 석유 코크스 연소에서, 본 발명의 버너는 운반 가스의 산소 함량을 대략적으로 50 몰% 이하로 상승시키는 양의 보충적 운반 산소로 작동시킬 수 있지만, 바람직한 실시예에서는, 운반 가스의 산소 함량이 약 35 몰%만큼 높을 수 있다.

실험이 나타내는 것은, 고체 연료 도관(20) 및 주 연료 도관(30)을 버너의 축(18)으로부터 약 65 도보다 더 작은 각도 θ로 배향하는 것은 버너 연료 노즐의 출구에서, 각도 θ가 약 65 도보다 더 큰 경우보다 더 낮은 정도의 연료 유동 맥동(fuel flow pulsation)으로 귀결된다는 것이다. 추가로 밝혀진 것은, 대략적으로 30도와 60도 사이의 연료 흡입관의 배향각 θ는 양호하게 균형 잡힌 낮은 맥동 외에, 연료 흡입관의 벽과의 충분한 충돌을 제공하여 환형 연료 유로(46) 내에서의 만족스러운 연료 분산을 제공한다는 것이다.

중간 섹션(14)의 환형 통로(46)를 빠져나가는 연료 유동은 하류 섹션(16)에서의 환형 통로(47)의 더 큰 단면적으로의 팽창을 겪는다. 연료 분리기(60)의 기능은 하류 섹션(16) 내에 배치되어 유입하는 연료 흐름을 별개의 부분들로 분할하여 내부 환형 노즐(72) 및 외부 환형 노즐 통로(70)를 통하여 유동하게 하려는 것이다. 버너(10)가 연료 분리기(60)의 다양한 위치 및 기하학적 구조로 만족스럽게 기능할 수 있지만, 점화 용이성, 화염 안정성, 및 화염 형태의 최적의 조합이 달성된 것은 외부 노즐(70)을 빠져나가는 연료 부분의 평균 속도가 내부 노즐(72)을 빠져나가는 연료 부분의 평균 속도보다 더 작은 때이었다. 특히, 버너(10)의 한 실시예에서, 내부 노즐(70)에 대한 외부 노즐(70)의 단면적의 비율은 연료 분리기(60)의 출구 평면(64)에서 측정해서 1.0보다 더 크다. 바람직하게는, 내부 노즐(72)에 대한 외부 노즐(70)의 단면적의 비율이 연료 분리기 출구 평면(64)에서 약 1.5 내지 약 6.0인데, 이 범위가 외부 및 내부 노즐 연료 속도의 최적의 조합을 산출하여 높은 연소 효율을 갖는 적합한 화염을 이루게 하는 것으로 판정되었기 때문이다.

내부 노즐(72)과 외부 노즐(70) 사이의 연료 분할을 더 쉽게 하기 위해, 연료 이동 디스크(68)는, 연료 유로(47)의 하류 섹션(16) 내에, 그러나 연료 분리기(60)의 상류 에지(62)의 상류에, 버너 축(18)을 따라 배치될 수 있을 것이다. 이동 디스크(68)의 높이 H1는 최적으로는 내부 노즐(72)의 높이 H2의 약 0.2 내지 0.5이다. 내부 노즐의 높이 H2의 약 0.2배보다 더 작은 이동 디스크의 높이 H1은 고체 연료 유동 분포에 대해 무시할 정도의 효과를 가질 것이고, 높이 H2의 약 0.5배보다 더 큰 높이 H1은 연료 유동을 외부 노즐로 너무 많이 치우치게 하고 연료 입자들이 현탁물로부터 떨어져 내릴 위험을 증대시킬 것이다. 또한, 이동 디스크(68)가 최적으로 기능하게 하기 위해, 연료 이동 디스크(68)의 하류 면(69)으로부터 연료 분리기 입구 평면(62)까지의 종방향 거리 L1은 디스크(68)의 반경방향 높이 H1의 약 1 내지 약 10배이어야 한다. 이동 디스크의 반경방향 높이 H1의 약 1배보다 더 작은 종방향 거리 L1은 연료 유동을 외부 노즐로 너무 많이 치우치게 하고 연료 입자들이 현탁물로부터 떨어져 내릴 위험을 증대시킬 것이고, 디스크의 반경방향 높이의 약 10배보다 더 큰 종방향 거리는 고체 연료 유동 분포에 대해 무시할 정도의 효과를 가질 것이다. 바람직하게는, 종방향 거리 L1은 디스크(68)의 반경방향 높이 H1의 약 2배 내지 약 5배이다.

특정한 상황에서 바람직한 것은, 특히 버너(20)를 비교적 낮은 모멘텀 운반 가스 유출 속도(relatively low momentum transport gas exit velocity)로 작동시키고자 할 때, 단지 곧은 (원통형) 연료 분리기(60)라기보다는 하류 수렴 섹션(downstream convergent section)(76)과의 조합으로 곧은 섹션(straight section)(74)을 갖는 연료 분리기(60)를 이용하는 것이다. 대안적으로, 연료 분리기(60)는 절두된 수렴 섹션(truncated convergent section)만으로 (즉, 곧은 섹션 없이) 이루어질 수 있을 것이다. 수렴 섹션(76)은 내부 노즐(72) 속의 유동의 가속을 쉽게 하고, 그것은 버너 화염 안정성 및 연소실 속으로의 화염 제트 침투(flame jet penetration)를 증가시킨다.

복수의 뭉툭한 연료 웨지(78)가 외부 노즐(70) 속에 배치되어 화염 안정성을 더 돕는다. 각각의 연료 웨지(78)는 자신의 웨이크(wake)(즉, 그것의 기부(82)의 하류)에서 저압의 유동 재순환 구역을 발생시킨다. 이 저압 영역은 산소 및 고체 연료 둘 다를 웨지(78)의 웨이크 속에 들어가게 하고, 그럼으로써 산소와 고체 연료를 저속에서 혼합하는 것을 쉽게 한다. 다시 말해서, 각각의 웨지(78)가 발생시키는 웨이크는 본질적으로 고체 연료 흐름의 점화를 위한 화염 홀더(flame holder)를 제공한다. 다수의 웨지(78)를 외부 노즐(70)의 주변의 둘레에 분포시킴으로써, 분포식 점화원(distributed ignition source)이 달성되어 버너 화염 안정성을 돕게 한다. 바람직하게는, 버너(10)는 2개 이상 6개 이하의 연료 웨지(78)를 포함한다.

적어도 하나의 뭉툭한 산소 웨지(84)가 외부 연료 도관(45)의 외면에 배치되어 연료 웨지(78)와의 조합으로 작동하여 고체 연료 점화를 더 쉽게 하고 화염 안정성을 증대시킨다. 각각의 산소 웨지(84)는 산소의 반경방향 편향이 버너 축(18)으로부터 멀어지게 하고, 그렇게 해서, 연료 웨지(78)와 유사하게, 낮은 속도의 저압 영역을 그것의 웨이크 속에 형성한다. 그러므로, 산소 웨지(84)와 연료 웨지(78)는 협력하여 작동한다. 다수의 산소 웨지(84)가 외부 연료 도관(45)의 둘레를 따라 분포될 수 있고, 바람직하게는, 하나의 연속적 환형 산소 웨지(84)가 배치되어 모든 외부 연료 도관(45)을 둘러싸게 한다.

본 명세서에 기술된 바와 같은 버너(10)는 시스템에서 다양한 산업적 응용에서의 가열 작동 및/또는 용해 작동을 위한 장치로서 이용될 수 있다. 특히 주목할 한 응용은 공기-연료 발화식 재생적 유리 용해로에서의 보충적 열원으로서의 것이다. 이 기술분야에서 숙련된 자들은 알 것이지만, 재생적 공기-연료 발화식 유리 용해로에서, 열기는 크고 대략 직사각형인 개구들을 통해 노 연소 구역에 들어가며, 연료는 보통 하나 이상의 버너 발화 포트(burner firing port)를 통해 도입된다. 예를 들어, 도 9 및 도 10은, 예시적 실시예를 예시하며, 하나 이상의 버너 발화 포트가 뜨거운 연소 공기 포트 (즉, 발화 포트)의 근방에서 재생적 유리 용해로 속에 설치되고, 근방이라고 함은 버너가 포트의 에지에 인접하고 외측에 있거나 또는 단부에 인접하고 포트 내에 있을 수 있음을 의미한다. 이러한 실시예에서, 고체 연료는 발화 포트로부터 방출하여 그것이 연소실에 들어감에 따라 열기 흐름 속에 주입된다. 도 9는 예시적 하부 포트 발화 배열을 예시하고, 도 10은 예시적 측부 포트 발화 배열을 예시한다. 이러한 실시예에서, 버너는 화학양론적 산소보다 더 적은 산소로 작동되어 재생기 포트로부터의 뜨거운 연소 공기로 고체 연료 연소를 개선하는 수단이 될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 버너는 약 0.05와 0.5 사이의 화학양론적 비율로 발화될 것이다. 즉, 버너는 완전 연소를 위해 요구되는 이론적 산화제의 약 5% 내지 50% 사이에서 발화될 것이다. 약 0.05 미만의 화학양론적 비율을 갖는 작동은 불만족스러운 화염 안정성 및 낮은 연소 효율을 초래할 것이다. 다른 한편으로는, 약 0.5를 초과하는 화학양론적 비율을 갖는 작동은 공기-연료 발화식 재생적 유리 노에서의 작동과 공존할 수 없을 것이다. 이 원인은, 노 속에서 모든 근사 화학양론적 조건을 유지하는 것이 재생기를 통한 공기 유속의 용인할 수 없게 큰 저감을 요구하기 때문이거나; 또는 공기 유속이 변하지 않으면, 그것이 과도하게 높은 NOx 방출을 초래할 수 있기 때문이다.

본 발명은 범위를 예에 개시된 특정한 양태 또는 실시예에 의해 한정하려는 것이 아니며, 그것은 본 발명의 소수의 양태들의 예시로서 의도된 것이고, 기능적으로 동등한 어떤 실시예든 본 발명의 범위 내에 있다. 여기에서 도시되고 기술된 것 외에, 본 발명의 다양한 수정이 이 기술분야에서 숙련된 자들에게 자명해질 것이며, 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 두고자 한다.

Claims

고체 연료/산소 버너로서,
상류 섹션, 중간 섹션 및 하류 섹션과,
운반 가스 내의 고체 연료의 혼합물을 운반하기 위해 중간 섹션 및 하류 섹션을 통해 연장되는 고체 연료 도관으로서, 중간 섹션에서보다 하류 섹션에서 더 큰 단면적을 갖는, 고체 연료 도관과,
상기 하류 섹션에서 고체 연료 도관 내에 배치되는 관형 연료 분리기로서, 입구 평면 및 출구 평면에 의해 경계가 형성되고, 연료 도관을 임의의 단면적을 갖는 내부 노즐 및 임의의 단면적을 갖는 외부 환형 노즐로 분할하는, 관형 연료 분리기를 포함하며,
상기 출구 평면에서 측정된 내부 노즐의 단면적에 대한 외부 환형 노즐의 단면적의 비율은 1보다 크고,
고체 연료 및 주요 운반 가스를 버너의 중간 섹션에 있는 고체 연료 도관으로 유동시키기 위한 버너의 상류 섹션에 있는 주 연료 도관을 더 포함하며,
주 연료 도관 내로 연장되고 그리고 주 연료 도관에 의해 둘러싸이는 관형 고체 연료 및 주요 운반 가스 도관과, 보충적 운반 가스를 주 연료 도관에 제공하기 위한 보충적 운반 가스 입구를 더 포함하며, 상기 관형 고체 연료 및 주요 운반 가스 도관은 고체 연료 및 주요 운반 가스를 버너에 제공하기 위한 입구를 가지고,
상기 하류 섹션의 도관은 상기 중간 섹션의 도관보다 얇은 벽을 가지는 도관으로 천이하고,
상기 중간 섹션과 하류 섹션은 동축이며 버너 축을 형성하는, 고체 연료/산소 버너.
제1항에 있어서, 상기 외부 환형 노즐 내에 배치되는 적어도 하나의 연료 웨지를 더 포함하며, 상기 연료 웨지는 상류 정점부 및 연료 분리기의 출구 평면과 정렬된 하류 기부를 갖는, 고체 연료/산소 버너.
제1항에 있어서, 적어도 중간 섹션에서 고체 연료 도관을 둘러싸는 환형 산소 도관을 더 포함하는, 고체 연료/산소 버너.
제1항에 있어서, 상기 하류 섹션에서 환형 고체 연료 도관으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 적어도 하나의 산소 웨지를 더 포함하며, 상기 산소 웨지는 상류 정점부 및 연료 분리기의 출구 평면과 정렬된 하류 기부를 갖는, 고체 연료/산소 버너.
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제1항에 있어서, 상기 출구 평면에서 측정된 내부 노즐의 단면적에 대한 외부 환형 노즐의 단면적의 비율은 1.5 내지 6인, 고체 연료/산소 버너.
제1항에 있어서, 버너 축을 중심으로 대칭으로 그리고 임의의 종방향 거리만큼 연료 분리기의 입구 평면의 상류에 배치되는 연료 이동 디스크를 더 포함하며, 상기 연료 이동 디스크는 임의의 반경방향 높이를 갖는, 고체 연료/산소 버너.
제8항에 있어서, 상기 연료 분리기에 의해 형성된 내부 노즐은 입구 평면에서 임의의 반경방향 높이를 가지며,
상기 연료 이동 디스크의 반경방향 높이는 내부 노즐의 반경방향 높이의 0.2배 내지 0.5배인, 고체 연료/산소 버너.
제1항에 있어서, 상기 연료 분리기는 원통형 형상을 갖는, 고체 연료/산소 버너.
제1항에 있어서, 상기 연료 분리기는 원통형 상류 부분과, 수렴하는 절두 원추형 하류 부분을 포함하는, 고체 연료/산소 버너.
제1항에 따른 고체 연료/산소 버너에서 고체 연료 및 산소를 연소시키기 위한 방법으로서,
상기 고체 연료 및 운반 가스의 혼합물의 산소 농도를 21 몰%보다 크고 50 몰% 이하로 증가시키기 위해 충분한 보충적 운반 가스를 제공하는 단계를 포함하는, 연소 방법.
제1항에 따른 고체 연료/산소 버너를 이용하여 재생적 공기-연료 유리 용해로를 작동시키는 방법으로서,
상기 용해로는 열기 포트를 가지며,
상기 작동 방법은 버너 중 적어도 하나를 열기 포트 근방에 배치하는 단계를 포함하는, 작동 방법.
제13항에 있어서, 화학양론적 비율은 0.05 내지 0.5인, 작동 방법.
재생로로서,
재생로의 측벽에 장착된 적어도 하나의 발화 포트를 갖는 버너 블록과,
상기 적어도 하나의 발화 포트의 에지 근방에 배치되는 하나 이상의 고체 연료/산소 버너를 포함하고,
상기 고체 연료/산소 버너가,
상류 섹션, 중간 섹션 및 하류 섹션과,
운반 가스 내의 고체 연료의 혼합물을 운반하기 위해 중간 섹션 및 하류 섹션을 통해 연장되는 고체 연료 도관으로서, 중간 섹션에서보다 하류 섹션에서 더 큰 단면적을 갖는, 고체 연료 도관과,
상기 하류 섹션에서 고체 연료 도관 내에 배치되는 관형 연료 분리기로서, 입구 평면 및 출구 평면에 의해 경계가 형성되고, 연료 도관을 임의의 단면적을 갖는 내부 노즐 및 임의의 단면적을 갖는 외부 환형 노즐로 분할하는, 관형 연료 분리기를 포함하며,
상기 출구 평면에서 측정된 내부 노즐의 단면적에 대한 외부 환형 노즐의 단면적의 비율은 1보다 크고,
고체 연료 및 주요 운반 가스를 버너의 중간 섹션에 있는 고체 연료 도관으로 유동시키기 위한 버너의 상류 섹션에 있는 주 연료 도관을 더 포함하며,
주 연료 도관 내로 연장되고 그리고 주 연료 도관에 의해 둘러싸이는 관형 고체 연료 및 주요 운반 가스 도관과, 보충적 운반 가스를 주 연료 도관에 제공하기 위한 보충적 운반 가스 입구를 더 포함하며, 상기 관형 고체 연료 및 주요 운반 가스 도관은 고체 연료 및 주요 운반 가스를 버너에 제공하기 위한 입구를 가지고,
상기 하류 섹션의 도관은 상기 중간 섹션의 도관보다 얇은 벽을 가지는 도관으로 천이하고,
상기 중간 섹션과 하류 섹션은 동축이며 버너 축을 형성하는, 재생로.